是什么原因让X射线可以逃脱黑洞的束缚？

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翻译：Betty Liu

校对：牧夫天文校对组

后期：胡永葳

责任编辑：王启儒

湍动等离子体穿过带有强磁场的黑洞吸积盘的可视化图像。
图片来源：Jani Närhi

来自黑洞的惊人辐射源

黑洞以吸收穿过其事件视界的一切物质而闻名，包括光。那么天文学家为什么能看到来自 X 射线双星中黑洞环境的高能辐射呢？最新的研究解答了上述疑问。

当黑洞和其伴星在系统中以相互引力绕行时，伴星的物质缓慢地螺旋状进入黑洞。这种缓慢流动的气体流通常会在黑洞周围形成一个吸积盘，这是一个明亮的、可观测到的X射线源。强磁场穿过吸积盘，随着黑洞和吸积盘的旋转，强磁场会扭曲。但是，X 射线从何而来？事实证明，它们来自吸积盘中的湍动区域，而不是来自黑洞本身。

X 射线双星

X射线双星系统通常包含一个与中子星或黑洞引力耦合的常规恒星（通常是主序恒星）。系统有几种类型。一种是低质量型，其恒星质量低于中子星或黑洞伴星。一种是中等质量型，其包含一颗中等质量恒星（0.5-10倍太阳质量）；还有一种是高质量X射线双星，其系统中有一颗超大质量恒星（甚者有300倍太阳质量）。

艺术家对 X 射线双星的印象。这个系统被称为 MAXI J1820+070，有一个黑洞（气体吸积盘中心的小黑点）和一颗伴星。

图片由 Binsim 制作（来源：R. Hynes）

当超大质量伴星爆发为超新星时，会形成黑洞/中子星，黑洞在吸积伴星物质的过程中释放巨大的引力势能，相比低质量双星，大质量X射线双星除了X射线外还发射出大量可见光。

长期以来，天文学家试图通过观察吸积盘来了解高能辐射的来源。X 射线通常发生在能量极高的环境中，一种想法是磁场和气体云相互作用并产生X射线，类似于太阳耀斑通过磁场活动加热太阳周围环境的原理，黑洞吸积盘中的耀斑就像是极端版本的太阳耀斑。

在黑洞中制造X射线

赫尔辛基大学的天文学家利用超级计算机开展模拟试验，对黑洞周围的辐射、等离子体和磁场之间的相互作用进行了建模。结果显示，黑洞周围的湍动非常强烈。等离子体确实会产生来自吸积盘的X射线。纳斯-奈蒂莱（Joonas Nättilä）是赫尔辛基大学计算等离子体天体物理学研究小组的负责人，他指出，要了解正在发生的事情，我们必须研究量子电动力学对系统的影响。

该团队模拟了电子-正电子等离子体和光子的混合。电子-正电子等离子体是电子和正电子在强磁场范围内相互作用的状态。在这种情况下，X射线辐射变成电子和正电子，当它们接触时，又会湮灭成辐射。电子和正电子是彼此的反粒子，通常不会出现在同一个地方，辐射也不会与等离子体发生相互作用。然而，黑洞周围极高的能量使得这一切成为可能。

“在日常生活中，人们不会看到这种突然出现物质代替极亮光的量子现象，但在黑洞附近，它们变得至关重要，”纳蒂拉说。“我们花了数年时间来研究自然界中出现的所有量子现象并将其添加到模拟中，但最终这一切都是值得的。”他补充道。

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无题

Credit：TW@earthcurated

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